Signal

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 30 mars 2020; kontroller kräver 27 redigeringar .

En signal är en väsentlig utföringsform av ett meddelande för användning vid överföring, bearbetning och lagring av information. [ett]

En signal är en kod ( symbol , tecken ), skapad och sänd ut i rymden ( via en kommunikationskanal ) av ett system, eller som uppstår i samverkan mellan flera system. Signalens betydelse och betydelse avslöjas efter registrering och tolkning i det mottagande systemet.

En signal (i informations- och kommunikationsteori ) är en informationsbärare som används för att överföra meddelanden i ett kommunikationssystem .

Det finns ett stort antal försök att formulera en ganska bekväm definition av denna term i den specialiserade litteraturen (till exempel [B: 1] [B: 2] [B: 3] [B: 4] [B: 5] [ B: 6] [B : 7] [B: 8] [B: 9] ), och i formella bestämmelser. [D:1] [D:2]

Definitioner

Utöver ovanstående encyklopediska definition finns det många andra alternativ för definitionen av termen "signal" i den klassiska litteraturen.

"Vanligtvis förstås en signal som ett värde som på något sätt återspeglar tillståndet i ett fysiskt system . I denna mening är det naturligt att betrakta signalen som ett resultat av vissa mätningar som utförts på det fysiska systemet under observationsprocessen. [2]

"En signal kan definieras som en funktion som förmedlar information om tillståndet eller beteendet hos ett fysiskt system. (...) Matematiskt representeras signaler som funktioner av en eller flera oberoende variabler ." [3]

"En signal är en tidsvarierande fysisk storhet som beskrivs av en funktion av tiden. En av parametrarna för denna funktion innehåller information om en annan fysisk storhet. En sådan signalparameter (funktion) kallas informativ , och den fysiska kvantiteten som representerar signalen kallas signalbäraren (signalbäraren); signalen har dimensionen av denna kvantitet. [fyra]

"En signal kallas vanligtvis något som bär någon form av data ." [5]

Allmän information

En signal kan genereras , men den krävs inte för att ta emot den, till skillnad från ett meddelande , som förväntas accepteras av den mottagande parten, annars är det inte ett meddelande. En signal kan vara vilken fysisk process som helst vars parametrar ändras (eller hittas) i enlighet med det överförda meddelandet.

En signal, deterministisk eller slumpmässig, beskrivs av en matematisk modell, en funktion som kännetecknar förändringen i signalparametrar. Den matematiska modellen för signalrepresentation som en funktion av tid är det grundläggande konceptet för teoretisk radioteknik, vilket har visat sig fruktbart både för analys och för syntes av radiotekniska enheter och system. Inom radioteknik är ett alternativ till en signal som bär användbar information brus , vanligtvis en slumpmässig funktion av tid som interagerar (till exempel genom addition) med signalen och förvränger den. Huvuduppgiften för teoretisk radioteknik är att extrahera användbar information från en signal med obligatorisk hänsyn till brus.

Begreppet en signal tillåter oss att abstrahera från en specifik fysisk storhet , såsom ström, spänning, akustisk våg, och att, utanför det fysiska sammanhanget, överväga de fenomen som är förknippade med att koda information och extrahera den från signaler som vanligtvis förvrängs av brus. . I studier representeras signalen ofta som en funktion av tid, vars parametrar kan bära den nödvändiga informationen. Metoden för att spela in denna funktion, såväl som metoden för att spela in störande brus, kallas den matematiska modellen av signalen .

I samband med begreppet signal formuleras sådana grundläggande principer för cybernetik som begreppet bandbredden för en kommunikationskanal utvecklad av Claude Shannon och begreppet optimal mottagning utvecklad av V. A. Kotelnikov .

Klassificering av signaler

Beroende på informationsbärarens fysiska natur:

elektrisk;
elektromagnetiska;
optisk;
akustisk

och andra;

För att ställa in signalen:

regelbunden (deterministisk) given av en analytisk funktion ;
oregelbunden (slumpmässig), tar godtyckliga värden när som helst. För att beskriva sådana signaler används sannolikhetsteorins apparat .

Beroende på funktionen som beskriver parametrarna för signalen finns det [4] :

kontinuerlig (analog),
kontinuerligt kvantiserad,
diskret-kontinuerlig och
diskreta kvantiserade signaler.

Kontinuerlig (analog) signal

De flesta signaler har ett kontinuerligt beroende av den oberoende variabeln (de ändras till exempel kontinuerligt i tiden) och kan anta vilket värde som helst över ett visst intervall. "Signaler i kontinuerlig tid och med ett kontinuerligt intervall av amplituder kallas också för analoga signaler." [3] Analoga signaler (AS) kan beskrivas av någon kontinuerlig matematisk funktion av tiden.

AC-exempel - övertonssignal: s(t) = A cos(ω t + φ) .

Analoga signaler används i telefoni, radiosändningar, tv. Det är omöjligt att mata in en sådan signal i ett digitalt system för bearbetning, eftersom den vid vilket tidsintervall som helst kan ha ett oändligt antal värden, och för en korrekt (utan fel) representation av dess värde krävs antal oändlig bitkapacitet. Därför är det mycket ofta nödvändigt att konvertera en analog signal så att den kan representeras av en sekvens av tal med ett givet bitdjup.

Det finns en uppfattning bland experter att begreppet "analog signal" bör anses olyckligt och förlegat, och i stället bör begreppet " kontinuerlig signal " användas . [6]

Diskret-kontinuerlig (diskret) signal

"Diskreta signaler (signaler i diskret tid) definieras vid diskreta tidpunkter och representeras av en sekvens av tal." [3]

Diskretisering av en analog signal är att signalen representeras som en sekvens av värden tagna vid diskreta tidpunkter t i (där i är ett index). Vanligtvis är tidsintervallen mellan successiva avläsningar ( Δt i = t i − t i−1 ) konstanta; i ett sådant fall kallas Δt för samplingsintervallet . Värdena på signalen x(t) vid mätögonblicken, dvs x i = x(t i ) , kallas avläsningar.

Kontinuerligt kvantiserad signal

Under kvantisering delas hela området av signalvärden in i nivåer, vars antal måste representeras i antal av ett givet bitdjup. Avståndet mellan dessa nivåer kallas kvantiseringssteget Δ. Antalet av dessa nivåer är N (från 0 till N−1). Varje nivå tilldelas ett nummer. Signalsampel jämförs med kvantiseringsnivåer och ett nummer som motsvarar en viss kvantiseringsnivå väljs som signal. Varje kvantiseringsnivå kodas som ett binärt tal med n bitar. Antalet kvantiseringsnivåer N och antalet bitar n av binära tal som kodar dessa nivåer är relaterade till relationen n ≥ log 2 (N).

I enlighet med GOST 26.013-81 [D: 2] betecknas sådana signaler med termen " flernivåsignal ".

Diskret kvantiserad (digital) signal

Digitala signaler inkluderar de för vilka både den oberoende variabeln (till exempel tid) och nivån är diskreta. [5]

För att representera en analog signal som en sekvens av tal med ändligt bitdjup måste den först omvandlas till en diskret signal och sedan utsättas för kvantisering . Kvantisering är ett specialfall av diskretisering, när diskretisering sker i samma kvantitet, kallat kvantum. Som ett resultat kommer signalen att presenteras på ett sådant sätt att det ungefärliga (kvantiserade) värdet för signalen är känt vid varje givet tidsintervall, vilket kan skrivas som ett heltal . Sekvensen av sådana nummer kommer att vara en digital signal.

Signalparametrar

Signalstyrka _ $P(t)=s^{2}(t)$
Specifik signalenergi $E_{\text{ud}}=\int \limits _{-\infty }^{\infty }{s^{2}(t)dt}$
Signalens varaktighet bestämmer tidsintervallet under vilket signalen existerar (olikt från noll); $T$
Dynamiskt omfång är förhållandet mellan den högsta momentana signaleffekten och den lägsta:

D=10\lg {\frac {P_{max}}{P_{min}}}

Signalspektrumets bredd är det frekvensband inom vilket signalens huvudenergi är koncentrerad; $F$
Signalbasen är produkten av signalens varaktighet och bredden på dess spektrum . Det bör noteras att det finns ett omvänt förhållande mellan spektrumets bredd och signalvaraktigheten: ju kortare spektrum, desto längre signalvaraktighet. Således förblir värdet på basen praktiskt taget oförändrat; $B=TF$
Signal-brusförhållandet är lika med förhållandet mellan den användbara signaleffekten och bruseffekten ;
Mängden överförd information kännetecknar bandbredden för kommunikationskanalen som krävs för signalöverföring. Det definieras som produkten av signalspektrumets bredd och dess varaktighet och dynamiska omfång:

V=FTD

Kännetecken för signaler

Signalegenskaperna formellt föreskrivna i GOST [D: 1] är följande.

Kännetecken för impulser

Den spektrala funktionen av momentum är en komplex funktion som är Fouriertransformen av momentum.
Momentum spektral funktionsmodul
Momentum spektral funktionsargument

Karakteristika för periodiska signaler

Perioden för en periodisk signal är en parameter lika med det minsta tidsintervall genom vilket de momentana värdena för en periodisk signal upprepas.
Frekvensen för en periodisk signal är en parameter som är den reciproka av perioden för en periodisk signal.
Komplext spektrum av en periodisk signal - En komplex funktion av ett diskret argument lika med ett heltal av frekvensvärden för en periodisk signal, vilket är värdena för koefficienterna för den komplexa Fourier-serien för en periodisk signal.
Amplitudspektrum för en periodisk signal — En funktion av ett diskret argument, som är modulen för det komplexa spektrumet för en periodisk signal.
Fasspektrumet för en periodisk signal är en funktion av ett diskret argument, vilket är ett argument för det komplexa spektrumet för en periodisk signal.
Harmonisk är en övertonssignal med amplitud och initial fas lika med värdena för amplituden och fasspektrumet för den periodiska signalen, vid ett visst värde på argumentet.

Egenskaper för slumpmässiga signaler

Endimensionell sannolikhetstäthet är en funktion lika med gränsen för förhållandet mellan sannolikheten för att en slumpmässig signal befinner sig i ett visst värdeintervall och bredden på detta intervall eftersom det tenderar mot noll, och dess argument är värdet till som intervallet drar ihop sig
Korrelationsfunktion är en funktion lika med medelvärdet av produkten av den variabla komponenten av en slumpmässig signal och samma variabla komponent, men fördröjd med en given tid.
Normaliserad korrelationsfunktion - en funktion lika med förhållandet mellan korrelationsfunktionen för en slumpmässig signal och dess varians
Energispektrumet är en funktion som representerar Fouriertransformen av korrelationsfunktionen, vars argument är frekvensen

Egenskaper för signalinteraktion

Signal-interferensförhållandet är förhållandet mellan kvantiteter som kännetecknar intensiteten av signalen och interferensen.
Modulationskoefficient "upp" - en koefficient lika med förhållandet mellan toppavvikelsen "upp" för moduleringslagen och dess konstanta komponent under amplitudmodulering.
Modulationskoefficient "ner" - en koefficient lika med förhållandet mellan toppavvikelsen "ner" för moduleringslagen och dess konstanta komponent under amplitudmodulering.
Frekvensavvikelse "upp" - toppavvikelse "upp" för moduleringslagen under frekvensmodulering.
Frekvensavvikelse "ner" - toppavvikelse "ner" av moduleringslagen under frekvensmodulering.
Vinkelmodulationsindex - toppavvikelse för moduleringslagen för den fasmodulerade signalen med en harmonisk moduleringslag

Egenskaper för signalsammankoppling

Korskorrelationsfunktion är en funktion lika med medelvärdet av produkten av den variabla komponenten av en slumpmässig signal och den variabla komponenten av en annan slumpmässig signal som släpar efter under en given tid.
Korsenergispektrum — En funktion som representerar Fouriertransformen av en korskorrelationsfunktion vars argument är frekvens
Fördröjningstid är en parameter lika med värdet på tidsförskjutningen för en av signalerna, vid vilken den är identiskt lika med den andra signalen upp till en konstant faktor och en konstant term.
Fasförskjutning är modulen för skillnaden mellan de initiala faserna för två övertonssignaler med samma frekvens.

Karakteristika för signalförvrängningar

Övertonskoefficient är en koefficient som kännetecknar skillnaden mellan formen av en given periodisk signal och en övertonssignal, lika med förhållandet mellan den effektiva spänningen för summan av alla övertoner i signalen, förutom den första, och den effektiva spänningen på den första övertonen.
Relativ signalavvikelse från en linjär lag är en koefficient lika med förhållandet mellan den absoluta avvikelsen (40) för en given signal från en rät linje som förbinder de momentana signalvärdena som motsvarar början och slutet av ett givet tidsintervall till maximum signalvärde i samma intervall
Signalens icke-linjäritetskoefficient är en koefficient lika med förhållandet mellan amplituden för signalderivatan i ett givet tidsintervall och maximivärdet för derivatan i samma intervall.
Den absoluta avvikelsen för signalerna är det maximala värdet av skillnaden mellan de momentana värdena för signalerna tagna samtidigt under ett givet tidsintervall.

Sekretess

Signal och händelse

En händelse (mottagande av en lapp, observation av en flare, mottagning av en symbol via telegraf) är en signal endast i det system av relationer där meddelandet erkänns som betydelsefullt (till exempel under stridsförhållanden är en flare en händelse som endast är betydelsefull för observatören till vilken den är riktad). Självklart, att en signal som ges analytiskt inte är en händelse och inte innehåller information om signalfunktionen och dess parametrar är kända för observatören.

Inom teknik är en signal alltid en händelse. Med andra ord, en händelse - en förändring i tillståndet för någon komponent i ett tekniskt system, som av systemlogiken erkänns som signifikant, är en signal. En händelse som inte erkänns av ett givet system av logiska eller tekniska relationer som signifikant är inte en signal.

Signalrepresentation och spektrum

Det finns två sätt att representera en signal beroende på definitionsdomänen: temporal och frekvens. I det första fallet representeras signalen som en funktion av tiden som kännetecknar förändringen i dess parameter. $s(t)$

Förutom den vanliga tidsrepresentationen av signaler och funktioner, används beskrivningen av signaler efter frekvensfunktioner i stor utsträckning vid dataanalys och bearbetning. Faktum är att vilken signal som helst, godtyckligt komplex till sin form, kan representeras som summan av enklare signaler, och i synnerhet som summan av de enklaste övertonssvängningarna, vars helhet kallas signalens frekvensspektrum .

För att växla till frekvensrepresentationsmetoden används Fouriertransformen :

S(\omega )=\int \limits _{-\infty }^{+\infty }s(t)e^{-j\omega t}\,dt

Funktionen kallas spektralfunktion eller spektraltäthet. Eftersom spektralfunktionen är komplex kan vi tala om ett amplitudspektrum och ett fasspektrum . $S(\omega)$ $S(\omega)$ $|S(\omega )|$ $\phi (\omega )=arg(S(\omega ))$

Den fysiska innebörden av den spektrala funktionen: signalen representeras som summan av en oändlig serie av övertonskomponenter (sinusoider) med amplituder , som kontinuerligt fyller frekvensintervallet från till , och initiala faser . $s(t)$ ${\frac {|S(\omega )|}{\pi }}d\omega$ $0$ $\infty$ $\phi (\omega)$

Dimensionen av spektralfunktionen är dimensionen av signalen gånger tiden.

I radioteknik

Inom radioteknik är huvudelementet i kodning signalmodulering . I det här fallet betraktas vanligtvis en nästan harmonisk signal av formen s(t) = A sin(2πf t + φ) , där amplituden A, frekvensen f eller fasen φ långsamt (i förhållande till sinusets förändringshastighet) ) ändras beroende på den överförda informationen (amplitud, frekvens respektive fasmodulering).

Stokastiska signalmodeller antar att antingen själva signalen eller informationen den bär är slumpmässig. En stokastisk signalmodell formuleras ofta som en ekvation som relaterar en signal till brus, som i detta fall efterliknar många möjliga informationsmeddelanden och kallas formbrus , i motsats till störande observationsbrus .

En generalisering av den skalära signalmodellen är till exempel vektorsignalmodeller, som är ordnade uppsättningar av individuella skalära funktioner, med ett visst förhållande av vektorkomponenterna till varandra. I praktiken motsvarar vektormodellen i synnerhet den samtidiga mottagningen av en signal av flera mottagare med efterföljande gemensam bearbetning. En annan utvidgning av begreppet en signal är dess generalisering till fallet med fält.

Se även

Anteckningar

↑ Signal // Encyclopedia of Modern Technology. Automatisering av produktion och industriell elektronik. Volym 3 (Decision Error - Frequency Telemetering System) - M.: Soviet Encyclopedia, 1964
↑ Franks, 1974 , sid. 9.
↑ 1 2 3 Oppenheim, 1979 , sid. femton.
↑ 1 2 Voshni, 1987 , kapitel 2. Teoretiska grunder för datainsamling, § 2.1. Grundläggande begrepp och definitioner, sid. 14-16.
↑ 1 2 Oppenheim, 2006 , sid. 28.
↑ Lyons, 2006 , sid. 22.

Litteratur

Böcker

↑ Franks L. Teori om signaler / Per. från engelska. ed. D. E. Vakmana .. - M . : Sov. Radio, 1974. - 344 sid. — 16 500 exemplar.
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digital signalbehandling / Per. från engelska - M . : Communication, 1979. - 416 sid.
↑ Gonorovsky I. S. Radiokretsar och signaler. - M . : Radio och kommunikation, 1986. - 512 sid.
↑ Kulikovsky L. F. , Molotov V. V. Teoretiska grunder för informationsprocesser. - M . : Högre skola, 1987. - 248 sid.
↑ Kraus M. , Kuchbakh E. , Voshni O.-G. Datainsamling i styrdatorsystem / Per. med tyska .. - M . : Mir, 1987. - 294 sid. — 20 000 exemplar.
↑ Osipov L. A. Signalbehandling på digitala processorer. Linjär-approximerande metod. - M . : Hotline - Telecom, 2001. - 114 sid.
↑ Ivanov M. T. , Sergienko A. B. , Ushakov V. N. Teoretiska grunder för radioteknik / Ed. V. N. Ushakov . - M . : Högre skola, 2002. - 306 sid.
↑ Richard Lionas. Digital signalbehandling. - M. : Binom-Press LLC, 2006. - 656 sid. — ISBN 978-5-9518-0149-4 .
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digital signalbehandling / Per. från engelska - M . : Technosfera, 2006. - 856 sid. - 1500 exemplar. - ISBN 978-5-94836-077-6 .

Normativa dokument

↑ 1 2 GOST 16465-70 Radiotekniska mätsignaler. Termer och definitioner . docs.cntd.ru. Hämtad 4 juni 2017. Arkiverad från originalet 20 juni 2017. (obestämd)
↑ 1 2 GOST 26.013-81 Mät- och automationsutrustning. Elektriska signaler med diskret ändring av ingångs- och utgångsparametrar . docs.cntd.ru. Hämtad 21 april 2020. Arkiverad från originalet 27 april 2020. (obestämd)

Länkar

Föreläsningskurs: Grunderna i radioelektronik och kommunikation . Hämtad: 7 mars 2010. (ryska)
Pedagogiskt och metodiskt komplex: Metoder och medel för signalbehandling (otillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 7 mars 2010. Arkiverad från originalet den 18 februari 2012. (ryska)
Radiosignaldatabas

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	NDL : 00571026 NKC : ph125525